處理多晶金剛石材料的方法【專利摘要】本發(fā)明涉及一種處理具有非金剛石相的多晶金剛石(PCD)材料的方法，該非金剛石相包括金剛石催化劑/溶劑材料，所述方法包括通過將至少部分PCD材料暴露于浸出混合物而從PCD材料中浸出一定量的金剛石催化劑/溶劑。浸出混合物包括鹽酸和一種或多種另外的無機酸，在該浸出混合物中鹽酸的摩爾濃度大于一種或多種另外的無機酸的摩爾濃度。【專利說明】處理多晶金剛石材料的方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本公開內(nèi)容涉及一種處理多晶金剛石(PCD)材料的主體的方法并涉及用于所述處理的混合物?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]用于機加工的切割刀具刀片(insert)和其它工具可包含結(jié)合至硬質(zhì)合金(cementedcarbide)基層的一層多晶金剛石(P⑶)。P⑶是一種也被稱為超硬磨材料的超硬材料的例子，所述超硬材料具有基本上大于燒結(jié)碳化鎢的硬度值。[0003]含有P⑶的部件被廣泛用于各種工具中，這些工具用于進行切割、機加工、鉆孔或降解硬質(zhì)或研磨性材料，如巖石、金屬、陶瓷、復(fù)合材料和含木材料。PCD含有基本上共生的金剛石顆粒，這些金剛石顆粒體形成骨架體，其限定這些金剛石顆粒之間的間隙。PCD材料含有至少大約80體積％的金剛石，并且可通過在也被稱為金剛石的催化劑材料的燒結(jié)助劑存在的情況下，使金剛石顆粒的聚集體經(jīng)受高于大約5Gpa，典型地為大約5.5Gpa的超高壓力和至少大約1200°C，典型地為大約1440°C的溫度而制備TCD材料。金剛石的催化劑材料可理解為是在金剛石比石墨更加熱力學(xué)穩(wěn)定的壓力和溫度條件下能促進金剛石顆粒的直接共生的材料。[0004]金剛石的催化劑材料的實例為鈷、鐵、鎳和包括任何一個這些元素的合金的某些合金。PCD可以形成在燒結(jié)鈷碳化鎢基層上，該基層可提供用于該PCD的鈷催化劑材料的源。在燒結(jié)該PCD材料的主體期間，該硬質(zhì)合金基層的成分，例如來自燒結(jié)鈷碳化鎢基層的鈷，液化并從靠近該金剛石微粒體積的區(qū)域流動到這些金剛石微粒之間的間隙區(qū)域中。在這個例子中，鈷用作催化劑，以有助于結(jié)合的金剛石顆粒的形成。可選地，可以在將金剛石微粒和基層進行HPHT處理之前將金屬溶劑催化劑與金剛石微?；旌?。PCD材料內(nèi)的間隙可以至少部分地填充有催化劑材料。因此共生金剛石結(jié)構(gòu)包括原始金剛石顆粒以及新析出的或重新生長的金剛石相，其橋接這些原始顆粒。在最終的燒結(jié)結(jié)構(gòu)中，催化劑/溶劑材料一般依然留在存在于該燒結(jié)金剛石顆粒之間的至少一些間隙內(nèi)。[0005]該燒結(jié)PCD在用于侵蝕性磨損、切割和鉆孔應(yīng)用中具有足夠的耐磨性和硬度。[0006]然而，這類ra)燒結(jié)坯塊(compact)所遇到的公知的問題是:在微結(jié)構(gòu)間隙中殘留的溶劑/催化劑材料對該燒結(jié)坯塊在高溫下的性能具有有害的影響，因為相信，在金剛石薄片(table)中溶劑/催化劑的存在降低了在這些升高溫度下該金剛石薄片的熱穩(wěn)定性。例如，在金剛石顆粒和溶劑/催化劑之間的熱膨脹系數(shù)的不同被認為導(dǎo)致了在鉆孔或切割作業(yè)期間切割元件的該PCD薄片的刻紋或者裂紋。該PCD薄片的刻紋或裂紋可降低切割元件的機械特性或?qū)е虑懈钤?。另外，在高溫下，金剛石顆粒可能與溶劑/催化劑發(fā)生化學(xué)分解或反向轉(zhuǎn)化。在極端高溫下，部分金剛石顆?？赡苻D(zhuǎn)換成一氧化碳、二氧化碳、石墨或其組合物，由此降低了PCD材料的機械特性。[0007]對于這些問題的潛在解決方案是從P⑶材料中移除催化劑/溶劑或粘合劑相。[0008]化學(xué)浸出(Ieach)經(jīng)常被用于從TCD材料的主體的間隙區(qū)域中，比如從靠近該TCD的工作表面的區(qū)域中，移除金屬溶劑催化劑，比如鈷。傳統(tǒng)的化學(xué)浸出技術(shù)經(jīng)常包含高濃度、毒性和/或腐蝕性溶液的使用，比如王水和包括氫氟酸(HF)的混合物，以便從多晶金剛石材料中溶解和移除金屬溶劑/催化劑。由于這類混合物是高度毒性的，這些物質(zhì)的使用會帶來嚴重的健康和安全風(fēng)險，因此使用這類混合物來處理PCD的工藝必須由專業(yè)人員在很好的控制和監(jiān)控條件下執(zhí)行，以便最小化這類工藝對操作人員傷害的風(fēng)險。[0009]另外，一般地，從PCD薄片中，特別是從目前應(yīng)用所需的較厚PCD薄片中，有效地移除金屬催化劑/溶劑的塊是極其困難和耗費時間的。一般來說，當前技術(shù)集中在取得高金剛石密度的PCD和相應(yīng)地取得具有極其精細分布的金屬催化劑/溶劑池的PCD。該精細網(wǎng)絡(luò)抵抗浸出劑的滲透，使得殘余的催化劑/溶劑經(jīng)常留在已浸出過的燒結(jié)坯塊之后。另外，獲得可預(yù)估的浸出深度可能耗費很長時間從而使得在商業(yè)上難以實施，或者要求比如極端的酸處理或者物理鉆孔該PCD薄片的不希望的干預(yù)。[0010]因此存在通過使用用于處理或加工P⑶材料的主體的技術(shù)以克服或基本上改進上述問題的需要?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0011]根據(jù)第一個方案，本發(fā)明提供了處理具有包括金剛石催化劑/溶劑材料的非金剛石相的多晶金剛石(PCD)材料的方法，所述方法包括通過將至少部分的PCD材料暴露于浸出混合物而從該PCD材料中浸出一定量的金剛石催化劑/溶劑，所述浸出混合物包括鹽酸和一種或多種另外的無機酸，在該浸出混合物中鹽酸的摩爾濃度大于一種或多種另外的無機酸的摩爾濃度。[0012]浸出混合物可包括，例如，包括硫酸、磷酸、高氯酸或硝酸中的一種或多種的一種或多種無機酸。[0013]在一些實施例中，鹽酸的摩爾濃度為3M或更大。[0014]在一些實施例中，浸出溶液包括除了鹽酸之外的兩種或多種無機酸的組合，所述兩種或多種無機酸的摩爾濃度基本上相同。[0015]所述方法還可包括:在將P⑶材料暴露于浸出混合物的步驟期間，將浸出溶液加熱至等于或高于該浸出混合物的沸點溫度的溫度。[0016]對于約10微米的平均金剛石顆粒尺寸，由酸混合物實現(xiàn)的浸出速率可以在一些實施例中約為每小時10微米。【專利附圖】【附圖說明】[0017]現(xiàn)在將參考所附附圖，只通過舉例的方式，來對各種實施例進行更加詳細的說明，其中:[0018]圖1為用于鉆入土地的切割鉆頭的P⑶切割刀具刀片的示意性透視圖；和[0019]圖2為圖1的PCD切割刀具刀片的示意性截面圖以及表示該PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意性擴展圖；[0020]在所有附圖中，相同的參考標號表示相同的各個特征?！揪唧w實施方式】[0021]如此處所用，“PCD材料”為含有金剛石顆粒體的材料，其絕大部分是彼此直接地相互結(jié)合，并且其中金剛石的含量為該材料的至少大約80%體積。在PCD材料的一個實施例中，金剛石顆粒之間的間隙可以至少部分地采用含有用于金剛石的催化劑和/或非金剛石相的粘結(jié)劑材料填充。[0022]如此處所用，“用于金剛石的催化劑材料”是在金剛石比金剛石熱力學(xué)上更加穩(wěn)定的壓力和溫度下，能夠促進金剛石的生長或者在金剛石顆粒之間直接的金剛石與金剛石共生的材料。[0023]在此所用的術(shù)語“摩爾濃度”，可以指在大約25°C的溫度下以mol/L為單位的濃度。例如，在IM的摩爾濃度下含有溶質(zhì)A的溶液可包括每升溶液中Imol的溶質(zhì)A。[0024]圖1表示用于鉆入土地的鉆頭(未示出)的P⑶切割刀具刀片10，其包括結(jié)合至燒結(jié)碳化鎢基層30的P⑶主體20。[0025]圖2為穿過圖1的P⑶切割刀具刀片10的截面圖。P⑶主體20的微觀結(jié)構(gòu)21也被示出，并且包括用于限定金剛石顆粒之間的間隙24的相互結(jié)合的金剛石顆粒22的骨架體(skeletalmass),間隙24至少部分被填充有填充劑材料,即包括例如鈷、鎳或鐵的用于金剛石的溶劑/催化劑。[0026]根據(jù)該方法的一些實施例，產(chǎn)生了P⑶材料的燒結(jié)主體，其具有金剛石與金剛石的結(jié)合和同時具有包括分散在其微觀結(jié)構(gòu)中的溶劑/催化劑的第二相。使用HpHT條件，可以根據(jù)標準方法形成PCD材料主體，以便生產(chǎn)燒結(jié)PCD薄片。將由所述方法的實施例所浸出的這些P⑶薄片一般但不唯一地具有約1.5mm至約3.0mm的厚度。[0027]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在各種應(yīng)用中，從PCD薄片內(nèi)移除非粘合劑相，其傳統(tǒng)上被稱為浸出，是期望的，所述應(yīng)用例如是期望將多晶金剛石盤再附著到碳化物柱上的情況，其一般伴隨有例如為了該再附著能夠成功的粘合劑材料的再滲透。碳化物顆粒能夠潛在地阻擋沿著其而發(fā)生再滲透的路徑。這些阻礙避免了在再附著循環(huán)期間粘合劑材料的完全再滲透，其反過來對于再附著過程具有有害結(jié)果。[0028]并且，在微觀結(jié)構(gòu)間隙中溶劑/催化劑材料的殘余存在被認為對于高溫下PCD燒結(jié)坯塊的性能具有有害作用，因為所認為的是，在金剛石薄片中的溶劑/催化劑的存在降低了在這些升高溫度下金剛石薄片的熱穩(wěn)定性。[0029]關(guān)于浸出的反應(yīng)速率被認為是初始由當酸接觸PCD薄片的表面時的化學(xué)速率所支配，后來由當酸擴散通過PCD薄片的孔時的擴散速率所支配。[0030]傳統(tǒng)上講，對于從燒結(jié)P⑶薄片中移除碳化鎢(WC)，HF-HNO3已被示為是最有效的媒質(zhì)。HF-HNO3的問題是其具有揮發(fā)性，并且當加熱該酸時，需要特別的技術(shù)，例如氣體密封技術(shù)。如果不提供該技術(shù)，則溫度的應(yīng)用將降低HF-HNO3的效能，這是由于HF(其是有毒的)的蒸發(fā)和通常為氣體的NO種類的形成所導(dǎo)致的，因此，需要酸媒質(zhì)的頻繁補充。而且，如上所述，通常會需要熱量以加速浸出過程，從而使得所述處理在商業(yè)上可行。另一個問題是HF-HNO3對于大多數(shù)容器而言具有腐蝕性，使得反應(yīng)難于實施。[0031]為了改進P⑶材料主體20的表面的性能和耐熱性，至少一部分的金屬溶劑催化劑，比如鈷，可以從至少一部分的P⑶材料20的間隙22中移除。另外，可以從至少一部分的PCD材料20的主體中移除鎢和/或碳化鎢。[0032]化學(xué)浸出被用于或者從P⑶材料20的主體至離P⑶材料主體的外表面的期望深度的PCD材料20的主體中或者從基本上所有PCD材料20中移除金屬溶劑催化劑。在浸出之后，PCD材料20的主體因此可包括基本上沒有金屬溶劑催化劑的第一體積。然而，少量的溶劑/催化劑可保留在沒有接觸到浸出處理的間隙中。另外，在浸出之后，PCD材料20的主體也可以包括含有金屬溶劑催化劑的體積。在一些實施例中，這一另外的體積可能遠離一個或多個P⑶材料20主體的暴露的表面。[0033]可包括例如金屬溶劑/催化劑和采取碳化物添加物形式的一個或多個添加物的間隙材料，可以通過將PCD材料暴露于合適的浸出混合物而從PCD材料20主體內(nèi)的間隙22中浸出。[0034]根據(jù)實施例，該浸出混合物包括除了鹽酸之外的一種或多種無機酸，其中，存在于浸出混合物中的鹽酸的摩爾濃度大于混合物中其它無機酸的摩爾濃度。PCD材料的主體可以以任何合適的方式暴露于這種浸出混合物中，包括例如，通過將至少一部分的PCD材料20的主體浸入到浸出混合物中一段時間。[0035]根據(jù)一些實施例，P⑶材料的主體可以在升高的溫度下暴露于浸出混合物，例如達到該酸浸出混合物沸騰的溫度。在浸出期間將PCD材料的主體暴露于升高的溫度可以增加PCD材料可被進行浸出的深度，并減少達到期望浸出深度所需的浸出時間。[0036]如果只有一部分P⑶材料的主體有待被浸出，并且如果主體仍然附著在基層上，則基層可以至少部分被保護層所包圍，從而避免浸出溶液在浸出期間化學(xué)上破壞PCD材料主體的某些部分和/或附著在其上的基層。這種配置可以提供PCD材料的主體的選擇浸出，其可以是有益的。在浸出之后，可以除去保護層或掩模。[0037]另外,在一些實施例中，至少部分的P⑶材料主體和浸出溶液可以暴露于電流、微波輻射和/或超聲能量中的至少一種，以便提高PCD材料主體進行浸出時的速率。[0038]適合的無機酸的實例可包括例如硫酸、磷酸、高氯酸或硝酸和/或上述物質(zhì)的任一組合物或其它無機酸。[0039]在一些實施例中，鹽酸可以以大約3M或大于約3M的量存在于浸出混合物中。[0040]參考以下不用于限制目的的實例，對一些實施例進行更加詳細的描述。下面的實例提供了與上述實施例相關(guān)的更多細節(jié)。[0041]實施例1[0042]切割元件，每個包括附著至碳化鎢基層的PCD薄片，通過在鈷存在下的金剛石微粒的HPHT燒結(jié)所形成。燒結(jié)的多晶金剛石薄片在結(jié)合的金剛石顆粒之間的間隙區(qū)域內(nèi)含有鈷。[0043]使用包括鹽酸、硝酸、磷酸和硫酸、浸出混合物的總摩爾濃度為4.60M的溶液，來浸出PCD薄片，硝酸、磷酸和硫酸以相等的摩爾濃度存在于該浸出混合物中，并且鹽酸以比其它任一種無機酸更大的摩爾濃度例如大約3M存在于該浸出混合物中。[0044]P⑶薄片在酸浸出混合物沸騰的溫度下被浸出15小時。[0045]此時，通過X-射線分析，針對該PCD薄片的各個部分，確定該PCD薄片的浸出深度。發(fā)現(xiàn)在15個小時后，已取得了270微米的平均浸出深度。[0046]使用該浸出混合物，對另一個相同的P⑶材料主體進行浸出總共25個小時，并且對該PCD薄片的各個部分，使用X-射線分析，再次確定該PCD薄片的浸出深度。發(fā)現(xiàn)在25個小時后，已經(jīng)取得了450微米的平均浸出深度。[0047]實施例2[0048]切割元件，每個包括附著至碳化鎢基層的PCD薄片，通過在鈷存在下的金剛石微粒的HPHT燒結(jié)來形成。該燒結(jié)的多晶金剛石薄片在結(jié)合的金剛石顆粒之間的間隙區(qū)域內(nèi)含有鈷。[0049]使用包括鹽酸、硝酸、磷酸和硫酸、浸出混合物的總摩爾濃度為4.87M的溶液來浸出該PCD薄片，硝酸、磷酸、高氯酸和硫酸以相等的摩爾濃度存在于該浸出混合物中，并且鹽酸以比其它任一種無機酸更大的摩爾濃度例如大約3M存在于該浸出混合物中。[0050]P⑶薄片在該酸浸出混合物沸騰的溫度下被進行浸出10個小時。[0051]此時，通過X-射線分析，對該P⑶薄片的各個部分，確定該P⑶薄片的浸出深度。發(fā)現(xiàn)在10個小時后，已取得了250微米的平均浸出深度。[0052]使用該浸出混合物，對另一個相同的P⑶材料主體進行浸出總共33個小時，并且對該PCD薄片的各個部分，通過X-射線分析，再次確定該PCD薄片的浸出深度。發(fā)現(xiàn)在33個小時后，已經(jīng)取得了600微米的平均浸出深度。[0053]當與使用傳統(tǒng)的浸出溶液可取得的浸出深度進行比較時，已經(jīng)確定包括上述浸出混合物的所述實施例可以使更大的浸出效率成為可能，從而可以在更短的時間段內(nèi)獲得更大的浸出深度，例如，與一般在5天內(nèi)能夠浸出相同的PCD主體的傳統(tǒng)的酸混合物相比，在20小時內(nèi)取得了585微米的浸出深度。而且，由于該酸浸出混合物比其它傳統(tǒng)的HF-硝酸基的浸出混合物的毒性更小，從而減少了健康和安全處理的問題。[0054]已經(jīng)提供了上面的說明，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠最好地利用通過此處的實例所說明的實施例的各個方面。該說明不是作為窮舉或被限制于所公開的任何精確形式。很多修改和變型是可能的。特別是，盡管該方法的一些實施例已經(jīng)被說明成為在含有VC添加物的浸出PCD中是有效的，但是該方法可以等同地應(yīng)用于具有其它添加物的PCD的有效浸出，t匕如，采取其它金屬碳化物形式、包括鎢、鈦、鈮、鉭、鋯、鑰或鉻的碳化物中的一種或多種的添加物的PCD的有效浸出?！緳?quán)利要求】1.一種處理具有包括金剛石催化劑/溶劑材料的非金剛石相的多晶金剛石材料，即PCD材料，的方法，所述方法包括通過將至少一部分的所述PCD材料暴露于浸出混合物而從所述PCD材料中浸出一定量的金剛石催化劑/溶劑，所述浸出混合物包括鹽酸和一種或多種另外的無機酸，在所述浸出混合物中所述鹽酸的摩爾濃度大于所述一種或多種另外的無機酸的摩爾濃度。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述PCD暴露于浸出混合物的步驟包括將所述PCD暴露于所述浸出混合物，其中所述一種或多種另外的無機酸包括硫酸、磷酸、高氯酸或硝酸中的一種或多種。3.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述浸出溶液包括具有大約3M或更大摩爾濃度的鹽酸。4.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述浸出混合物包括除了鹽酸之外的兩種或多種無機酸的組合，所述兩種或多種另外的無機酸的摩爾濃度基本上相同。5.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，進一步包括在將所述PCD材料暴露于所述浸出混合物的步驟中，將所述浸出混合物加熱至等于或高于所述浸出混合物的沸點溫度的溫度。6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述金屬溶劑催化劑包括鈷、鎳和鐵中的至少一種。7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述PCD薄片具有從約1.5mm至約3.0mm的厚度。8.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述浸出步驟包括從所述PCD材料中浸出鎢、鈦、鈮、鉭、鋯、鑰、鉻或釩的碳化物中的一種或多種。9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中對于約10微米的平均金剛石顆粒尺寸，所述酸浸出混合物的浸出速率約為每小時10微米。10.一種處理具有包括金剛石催化劑/溶劑和/或一種或多種金屬碳化物的非金剛石相的多晶金剛石材料，即PCD材料，的方法，其基本上正如在附圖中所例示并通過之前任一項實施例說明的方法?！疚臋n編號】C22C26/00GK104136641SQ201280070378【公開日】2014年11月5日申請日期:2012年12月20日優(yōu)先權(quán)日:2011年12月29日【發(fā)明者】漢弗萊·薩姆克羅·路基薩尼·希特赫比,安德魯·恩德洛武申請人:第六元素研磨劑股份有限公司